Геомагнитная супербуря — это экстремальное явление космической погоды, которое происходит, когда Солнце выбрасывает огромное количество энергии и заряженных частиц в сторону Земли. Такие бури редки, случаются примерно раз в 20–25 лет. С 10 по 11 мая 2024 года сильнейшая супербуря за последние 20 лет, известная как буря Гэннона или буря «Дня матери», обрушилась на Землю.
Исследование под руководством доктора Ацуки Синбори из Института экологических исследований космоса и Земли Университета Нагоя предоставило первые подробные наблюдения того, как супербуря сжимает плазмосферу Земли — защитный слой заряженных частиц, окружающий нашу планету.
Результаты опубликованы в журнале Earth, Planets and Space
Результаты исследования показывают, как плазмосфера и ионосфера реагируют во время самых сильных солнечных бурь, и помогают прогнозировать сбои в работе спутников, систем GPS и коммуникационных сетей во время экстремальных явлений космической погоды.
Для наблюдения за экстремальным сжатием и медленным восстановлением плазмосферы во время супербури 2024 года был использован спутник Arase, запущенный Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA) в 2016 году. Спутник измеряет плазменные волны и магнитные поля, проходя через плазмосферу Земли.
Учёные впервые получили непрерывные прямые измерения того, как плазмосфера сжимается до такой низкой высоты во время супербури.
Доктор Синбори объяснил, что изменения в плазмосфере отслеживались с помощью спутника Arase, а наземные GPS-приёмники использовались для мониторинга ионосферы — источника заряженных частиц, которые пополняют плазмосферу. Мониторинг обоих слоёв показал, насколько резко плазмосфера сократилась и почему восстановление заняло так много времени.
Плазмосфера работает вместе с магнитным полем Земли, помогая ограничивать вредные заряженные частицы из космоса, защищая спутники и поддерживая систему естественной защиты Земли от интенсивного излучения. Обычно она простирается далеко от Земли, но во время супербури внешняя граница переместилась с примерно 44 000 км над поверхностью Земли до всего 9 600 км.
Супербуря была вызвана многочисленными мощными извержениями на Солнце, которые направили миллиарды тонн заряженных частиц к Земле. В течение девяти часов буря сжала плазмосферу примерно до одной пятой её обычного размера. Восстановление было очень медленным и заняло более четырёх дней для пополнения, что стало самым длительным восстановлением, которое учёные наблюдали с момента начала мониторинга плазмосферы спутником Arase в 2017 году.
Доктор Синбори отметил, что буря сначала вызвала интенсивный нагрев вблизи полюсов, но позже это привело к значительному падению уровня заряженных частиц в ионосфере, что замедлило восстановление. Это длительное нарушение может повлиять на точность GPS, помешать работе спутников и усложнить прогнозирование космической погоды.
Во время наиболее интенсивной фазы супербури экстремальная солнечная активность сжала магнитное поле Земли, позволив заряженным частицам перемещаться гораздо дальше вдоль магнитных силовых линий к экватору. Это вызвало впечатляющие полярные сияния на необычно низких широтах.
Обычно полярные сияния происходят вблизи полярных регионов, потому что магнитное поле Земли направляет солнечные частицы в атмосферу в этих местах. Но сила этой бури сместила зону полярных сияний из обычного положения вблизи Полярного круга вниз к таким местам, как Япония, Мексика и южная Европа, где полярные сияния наблюдаются редко.
Примерно через час после начала бури заряженные частицы в верхних слоях атмосферы Земли возросли на высоких широтах вблизи полюсов и устремились к полярной шапке. Когда буря начала стихать, плазмосфера начала пополняться частицами из ионосферы. Обычно этот процесс занимает день или два, но в данном случае восстановление растянулось на четыре дня из-за явления, называемого отрицательной бурей.
Во время отрицательной бури уровни частиц в ионосфере резко падают на больших площадях, когда интенсивный нагрев изменяет химию атмосферы. Это уменьшает количество ионов кислорода, которые помогают производить водородные частицы, необходимые для пополнения плазмосферы. Такие бури невидимы и обнаруживаются только спутниками.
«Отрицательная буря замедлила восстановление, изменив химию атмосферы и прервав подачу частиц в плазмосферу. Эта связь между отрицательными бурями и замедленным восстановлением никогда ранее не наблюдалась так ясно», — сказал доктор Синбори.
Результаты дают нам более чёткое представление о том, как меняется плазмосфера и как в ней перемещается энергия. Во время бури несколько спутников испытали электрические неполадки или прекратили передачу данных, сигналы GPS были нарушены, и радиосвязь была затронута. Знание того, сколько времени требуется для восстановления плазменного слоя Земли после таких событий, имеет ключевое значение для прогнозирования космической погоды и защиты космических технологий.
Предоставлено Университетом Нагоя.